DDS技术在智能相关流量计中的应用

　　1 引言

　　相关流量测量技术是以随机过程的相关理论为基础的一种流动参数检测技术, 它在解决两相( 气/液、气/固和液/固等)流体以及多相( 多组份) 流体的流动参数测量问题上具有巨大的潜力。但是相关算法要采集两路信号的值进行计算, 然而一般的正弦振荡电路会有很多谐波分量, 而且频率漂移较大, 所以常常由于两路信号精确度差, 导致最终的测量误差增大。随着数字技术在仪表和通信系统中的广泛应用, 一种从参考频率源生成多种频率的数字控制方法应运而生, 这种技术被称为直接数字合成(DDS)。DDS 技术是一种从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的全数字频率合成技术。目前各大芯片制造厂商都相继推出采用先进CMOS 工艺生产的高性能、多功能DDS 芯片, 为电路设计者提供了多种选择。

　　2 超声波相关流量测量的基本原理

　　利用超声波技术测量流量主要是依据超声波入射到流体后, 在流体中传播的超声波就载有流体流速的信息, 利用收到的超声波信号就可以测量流体的流速和流量。相关检测技术建立在信息论和随机过程的理论基础上, 主要应用信号的周期性和噪声的随机性, 通过计算互相关函数Rxy(τ), 达到去除噪声的一种技术, 其中 τ是两信号间的时延。为了能在实际工程中应用, 可以将互相关函数简化成有限时间长度和式为:

　　由此可见, 信号源的精度将大大影响测量的准确性, 因此我们需要精度和纯度都比较高的源信号。

　　3 DDS 原理及实现

　　1971 年, 美国学者J. Tierncy、C. M. Rader 和B. Gold 提出了以全数字技术从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理。随着电子技术的发展, 一种新的频率合成技术即直接数字频率合成DDS(Direct Digital Synthesis) 技术得到了飞速发展。DDS 具有频率转换时间短( 可小于20ns) 、频率分辨率高( 典型值为0.001Hz) 、输出相位连续、可编程、全数字化等突出优点。

　　DDS 技术建立在采样定理的基础上, 首先将输出波形的一个完整周期的幅度值都顺序地存放在波形存储器中, 然后通过控制相位增量产生频率、相位可控制的波形, 基于 DDS 技术产生信号波形的原理如图1 所示。相位增量寄存器寄存频率控制数据, 相位累加器完成相位累加的功能, 波形存储器存储波形数据的一个周期幅度值数据, D/A 转换器将数字量形式的波形幅值转化成所要求合成频率的模拟量信号, 低通滤波器可虑除高次谐波分量。DDS 输出的信号频率可以由下式给出:

　　式中: fcp为系统时钟频率, Δf 为信号频率分辨率, fo为输出信号频率, M为频率控制字, N 为相位累加器的位数。可见, 通过设定相位累加器的位数、频率控制字和系统时钟的值, 就可以产生任意信号频率的输出。